CN109314415A - 旋转电机 - Google Patents

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Abstract

车辆用交流发电机(1)包括在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25)的定子(20)以及配置于定子(20)的径向内侧的转子(30)。转子(30)包括:励磁铁芯(32),上述励磁铁芯(32)具有轴套部(321)和在周向上交替形成有不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323);励磁绕组,上述励磁绕组卷绕于轴套部(321)的外周侧;以及永磁体(34),上述永磁体(34)分别配置于周向上相邻的爪状磁极部(323)之间。由励磁绕组(33)的磁动势形成的d轴磁路(36)和由永磁体(34)的磁力形成的第一和第二磁体磁路(38、39)的至少一部分共用。当转子(30)有负载时,d轴磁路(36)的磁导Prt与q轴磁路(37)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。

Description

旋转电机
技术领域
本发明涉及一种例如装设于汽车、卡车等并作为电动机、发电机来使用的旋转电机。
背景技术
车辆用交流发电机包括具有励磁绕组以及通过该励磁绕组励磁有周向上交替不同极性的磁极的多个爪状磁极部的伦德尔型转子。作为现有的旋转电机,已知有上述的车辆用交流发电机。此外,在专利文献1中,公开有一种发电机,该发电机具有在爪状磁极部之间夹设永磁体、以得到更大的输出密度的带磁体的伦德尔型转子。在上述发电机中,是考虑永磁体的大小、伦德尔型转子铁芯的轴套部、盘部及爪状磁极部的部分的最适化而设计的。藉此,上述发电机能同时实现发电能力的提高和反电动势的降低。
另外,在专利文献1中记载有:利用计算产生发电机的输出特性的拐点的永磁体磁通与爪状磁极片的各常数L、W及θ之间的关系而导出的数学式。此外,在专利文献1中记载了,只要确定各常数L、W及θ,就能唯一地确定永磁体的残留磁通密度Br。藉此,专利文献1的发电机即使规格不同,也能设定一种磁极,能普遍避免电池过充电且能实现高效率和高输出化。
此外,已知一种以NS磁极在周向交替的方式,将永磁体埋入转子铁芯的外周部的磁体埋入型转子(IPM型转子)。上述IPM型转子由于能获得高转矩,因此,被装设于车辆用的发电机、电动机等而迅速地普及。
近年,期望实现用于减少车辆的行驶阻力的斜鼻化(slant nose)、发动机室的小型化等。随之,车辆用发电机、起动器的装设空间会变得极小化。在上述情况下,重视的能力可以举出:起动器的能力、用于以高效率动作辅助车辆的高效率的动力运行、再生动作的能力。因此,仅对相对纯粹的发电能力进行能力改善的比例变小,开始关注使励磁电流在短期间内成为大电流的情况下的发电机的发电、转矩、再生能力。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本专利特开平4-255451号公报。
发明内容
发明所要解决的技术问题
装设有上述IPM型转子的发电机存在反电动势高的问题。因此,例如在对车辆用交流发电机等的反电动势有限制的产品中,采用具有上述爪状磁极部的伦德尔型转子。然而,装设有伦德尔型转子的发电机存在发电输出低的问题。若在通过专利文献1提出的数学式规定的范围内设计,则能使用磁体来提高发电机的发电能力。然而,期望进一步提高发电能力。
本发明提供一种能进一步提高发电能力的旋转电机。
解决技术问题所采用的技术方案
图22是带有磁体的伦德尔型转子的等效磁路图。图23是IPM型转子的等效磁路图。在此,Φm是磁体磁通,Rst是定子的磁阻,AG是气隙,Rrt是转子的磁阻,Ra是d轴回路的空隙部的磁阻。如图22所例示,在带有磁体的伦德尔型转子的情况下,磁体磁通Φm分流,形成穿过伦德尔型转子铁芯的轴套部的磁路和穿过定子铁芯的磁路这两个磁路。
另一方面,如图23所例示,在IPM型转子的情况下,d轴回路是空隙(虚线部分)。因此,磁阻Ra非常高,电感Lrt非常低。这成为带有磁体的伦德尔型转子和IPM型转子中的负载下的转矩差的原因。即,在负载时若处于磁阻Rrt非常高、电感Lrt非常低的状态,则带有磁体的伦德尔型转子也能输出与IPM型转子相同程度的转矩。
本发明人基于上述认知进行了大量研究。其结果是,本发明人得出了:在带有磁体的伦德尔型转子中,能利用励磁电流If来形成可输出与IPM型转子相同程度的转矩的情况。在IPM型转子中,励磁铁芯(转子铁芯)的电阻高,定子铁芯的电阻低。因此,在带有磁体的伦德尔型转子中,在励磁电流If通电时,若提高励磁铁芯(伦德尔型转子铁芯)的电阻值,使励磁铁芯的电阻值比定子铁芯的电阻值高,则变为与IPM型转子的情况相同的情况。
设转子的电感为Lrt,定子的电感为Lst,流过转子的磁通的磁阻为Rrt,流过定子的磁通的磁阻为Rst。此外,在带有磁体的伦德尔型转子中,在转子施加有负载时,Lrt<Lst……(式1)或者Rrt>Rst……(式2)成立。这样,能形成上述情况。另外,设磁体的残留磁通密度为Br,磁体的各磁极的截面积为Am,定子的磁通密度为Bs,转子的截面积为Ar。在转子没有施加负载时,处于Lrt>Lst、Rrt>Rst、2×Br×Am>Bs×Ar(反电动势低的条件)。
然而,在上述(式1)和(式2)中,不能根据作为产品而完成的牵引电机、电动发电机这样的旋转电机,容易地对磁阻R进行测定。此外,电感L随着匝数改变,且以匝数的二次方来变动。因此,不适于评价上下关系。因此,对于以后的评价,使用利用后述的实验方法能容易地测定、计算的磁阻R的倒数即磁导Prt、Pst(H)。上述关系表示为:L/N2(H/N2)=1/R(A/wb)=P(H)。
因此,本发明人发现,为了在转子施加有负载时表现为IPM型转子那样,在d轴具有两轴的合成磁通的旋转电机在负载下处于Prt<Pst即可。
本发明的技术的一方式即第一个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);以及转子(30),上述转子(30)与定子的内周侧在径向上相对配置。
转子包括:励磁铁芯(32),上述励磁铁芯(32)具有筒状的轴套部(321、321a、321b)和配置于轴套部的外周侧并形成有在周向上交替不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323、323a、323b);励磁绕组(33),上述励磁绕组(33)卷绕于轴套部的外周侧,由通电而产生磁动势;以及永磁体(34、34A),上述永磁体(34、34A)在周向相邻的爪状磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过励磁绕组的磁动势而在爪状磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在第一个旋转电机中,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通经由轴套部、一对爪状磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路(36)和由永磁体的磁力而形成的磁通流动的磁体磁路(38、39)的至少一部分共用。
在第一个旋转电机中,在转子施加有负载的情况下,d轴磁路的磁导Prt与在电枢绕组中流动的电流形成的、穿过位于与d轴相差90°电角度的位置的q轴的q轴磁路(37)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
根据上述结构,在第一个旋转电机中,通过配置于周向相邻的爪状磁极部之间的永磁体,从而形成与定子交链的磁通流动的磁体磁路和穿过轴套部并在转子内磁通流动结束的磁体磁路这两个磁体磁路。此外,在转子施加有负载的情况下,即,在励磁绕组有励磁电流通电的情况下,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通形成为经由励磁铁芯的轴套部、一对爪状磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路。此时,在两个磁体磁路中的、穿过轴套部并在转子内结束的磁体磁路流动的磁体磁通以与d轴磁路的磁通相反的方向流动。因此,处于磁阻大、难以流动的状态。因此,在第一个旋转电机中,d轴磁路的磁导Prt与q轴磁路的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。因此,使上述两个磁体磁路中的、与定子交链的磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增加。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。
在本发明中,在转子施加有负载的情况是指,作为额定电流,励磁绕组的励磁电流If在作为车辆用电刷的能力一般处于If=4(A)~20(A)之间通电的状态。另外,若电刷的技术进步,则也可以是那时的励磁电流If(例如为30(A)等)。此外,若是如无刷那样对励磁电流If没有限制的结构,则只要在比上述大的励磁电流If的情况下,使上述的Pst>Prt的条件成立即可。另外,即使是现有的电刷,上述的Pst>Prt的关系成立意味着,满足后述的0.9<As/Ab<1.7的条件时的效果很好。
此外,本发明的技术的一个方式即无刷结构的第二个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);转子(50),上述转子(50)与定子的内周侧在径向上相对配置;以及壳体(10),上述壳体(10)在内部收容并支承有定子和转子。
壳体具有配置于转子的内周侧、由通电而产生磁动势的励磁绕组(53)卷绕于外周侧的轴套部(17)。
转子具有:励磁铁芯(52),上述励磁铁芯(52)具有配置于励磁绕组的外周侧并形成有在周向交替不同极性的磁极的多个磁极部(52n、52s);以及永磁体(54),上述永磁体(54)在周向相邻的磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过励磁绕组的磁动势而在磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在第二个旋转电机中,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通经由轴套部、一对磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路(56)和由永磁体的磁力而形成的磁体磁路(58、59)的至少一部分共用。
在第二个旋转电机中,在转子施加有负载的情况下,d轴磁路的磁导Prt与在电枢绕组中流动的电流形成的、穿过位于与d轴相差90°电角度的位置的q轴的q轴磁路(57)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
根据上述结构,在第二个旋转电机中,通过配置于周向相邻的磁极部之间的永磁体,从而形成与定子交链的磁通流动的磁体磁路和穿过轴套部并在转子内磁通的流动结束的磁体磁路这两个磁体磁路。此外,在转子施加有负载的情况下,即,在励磁绕组有励磁电流通电的情况下,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通形成为经由励磁铁芯的轴套部、一对磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路。此时,在两个磁体磁路中的、穿过轴套部并在转子内结束的磁体磁路流动的磁体磁通以与d轴磁路的磁通相反的方向流动。因此,处于磁阻大、难以流动的状态。因此,在第二个旋转电机中,d轴磁路的磁导Prt与q轴磁路的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。因此,使上述两个磁体磁路中的、与定子交链的磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增加。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。
尤其是,在无刷结构的旋转电机中,可以不受电刷的电流限制。因此,能增大由电刷限制的励磁电流If的电流值。藉此,即使在无刷结构的旋转电机中,也能使励磁回路饱和,能有效地利用磁体磁力。此外,向励磁绕组通电励磁电流的电路是独立的。因此,对于带磁体的伦德尔型转子的缺点即离心强度,电路这部分的离心力不会施加于磁极部背部。藉此,能降低离心力产生的应力。
此外,本发明的技术的一个方式即第三个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);以及转子(30),上述转子(30)与定子的内周侧在径向上相对并能旋转地配置。
转子包括:励磁铁芯(32),上述励磁铁芯(32)具有筒状的轴套部(321、321a、321b)和配置于轴套部的外周侧并形成有在周向上交替不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323、323a、323b);励磁绕组(33),上述励磁绕组(33)卷绕于轴套部的外周侧,由通电而产生磁动势;以及永磁体(34),上述永磁体(34)在周向相邻的爪状磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过励磁绕组的磁动势而在爪状磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在本发明中,设爪状磁极部的外周面的表面积为As,设轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab。此时,第三个旋转电机中,表面积As与截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。
根据上述结构,在第三个旋转电机中,爪状磁极部的外周面的表面积As与轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。因此,使由配置于周向相邻的爪状磁极部之间的永磁体而形成的磁体磁路中的、与定子交链的磁体磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增大。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。另外,配置于爪状磁极部之间的永磁体以往以磁通的整流、防止泄漏为目的来使用。与此相对,在本发明中,配置于爪状磁极部之间的永磁体像IPM型转子的永磁体那样使用。藉此,不是防止泄漏等而是使磁通增加。也就是说,能起到转矩提高源和输出提高源的功能。
此外,本发明的技术的一个方式即无刷结构的第四个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);转子(50),上述转子(50)与定子的内周侧在径向上相对配置;以及壳体(10),上述壳体(10)在内部收容并支承有定子和转子。
壳体具有配置于转子的内周侧、由通电而产生磁动势的励磁绕组(53)卷绕于外周侧的轴套部(17)。
转子具有:励磁铁芯(52),上述励磁铁芯(52)具有配置于励磁绕组的外周侧并形成有在周向交替不同极性的磁极的多个磁极部(523h、523i);以及永磁体(54),上述永磁体(54)在周向相邻的磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过励磁绕组的磁动势而在磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在本发明中,设磁极部的外周面的表面积为As,设轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab。此时,第四个旋转电机的表面积As与截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。
根据上述结构,在第四个旋转电机中,磁极部的外周面的表面积As与轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。因此,使由配置于周向相邻的磁极部之间的永磁体而形成的磁体磁路中的、与定子交链的磁体磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增大。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。另外,配置于磁极部之间的永磁体在以往以磁通的整流、防止泄漏为目的来使用。与此相对,在本发明中,配置于磁极部之间的永磁体像IPM型转子的永磁体那样使用。藉此,不是防止泄漏等而是使磁通增加。也就是说,能起到转矩提高源和输出提高源的功能。
附图说明
图1是第一实施方式的旋转电机的轴向剖视图。
图2是第一实施方式的转子的立体图。
图3是表示第一实施方式的励磁铁芯的各尺寸的说明图。
图4是表示第一实施方式的励磁铁芯的各尺寸的说明图。
图5是表示第一实施方式的励磁铁芯的爪状磁极部的各尺寸的说明图。
图6是表示第一实施方式的励磁铁芯的各尺寸的说明图。
图7是表示在第一实施方式的旋转电机中形成的d轴磁路和q轴磁路的说明图。
图8是表示在第一实施方式的旋转电机中形成的d轴磁路在励磁铁芯侧的磁通的流动的说明图。
图9是表示伦德尔型转子与IPM型转子的突极比ρ的图表。
图10是表示在第一实施方式的旋转电机中由永磁体形成的两个磁路的说明图。
图11是用于说明第一实施方式中的磁导的测定方法的图。
图12是用于说明第一实施方式中的磁导的测定方法的图。
图13是表示比较例一的旋转电机的磁导的测定结果的线图。
图14是表示第一实施方式的旋转电机的磁导的测定结果的线图。
图15是用于说明第一实施方式中转子的磁导的测定方法的图。
图16是用于说明第一实施方式中转子的磁导的测定方法的图。
图17是用于说明第一实施方式中定子的磁导的测定方法的图。
图18是用于说明第一实施方式中定子的磁导的测定方法的图。
图19是表示爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之比(As/Ab)和定子负载时的交链磁通量之间的关系的线图。
图20是表示轴套部外径Db与转子外径Dr之比(Db/Dr)和定子负载时的交链磁通量之间的关系的线图。
图21是表示爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之比(As/Ab)和轴套部外径Db与转子外径Dr之比(Db/Dr)之间的关系的线图。
图22是带磁体的伦德尔型转子的等效磁路图。
图23是IPM型转子的等效磁路图。
图24是第二实施方式的旋转电机的轴向剖视图,是相当于沿图25和图27的XXIV-XXIV线剖开的面的剖视图。
图25是第二实施方式的旋转电机的立体图。
图26是第二实施方式的转子和罩部的立体图。
图27是第二实施方式的转子的主视图。
图28是第二实施方式的转子的铁芯的主视图。
图29是第二实施方式的转子的N极铁芯和S极铁芯的主视图。
图30是表示在第二实施方式的旋转电机中由永磁体形成的两个磁路的说明图。
图31是表示在第二实施方式的旋转电机中形成的d轴磁路和q轴磁路的说明图。
图32是第三实施方式的磁极铁芯的轴向剖视图。
图33是第四实施方式的磁极铁芯的立体图。
图34是第五实施方式的磁极铁芯的立体图。
图35是第六实施方式的磁极铁芯的立体图。
图36是第七实施方式的磁极铁芯的轴向剖视图。
图37是第八实施方式的磁极铁芯的轴向剖视图。
图38是第九实施方式的磁极铁芯的立体图。
图39是第十实施方式的磁极铁芯的立体图。
图40是第十一实施方式的磁极铁芯的轴向剖视图。
图41是表示变形例一的永磁体的配置的说明图。
具体实施方式
以下,参照附图,对本发明的一个方式的旋转电机的实施方式进行具体的说明。
[第一实施方式]
参照图1~图21,对第一实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是装设于车辆并作为发电机来使用的车辆用交流发电机。
<车辆用交流发电机的整体结构>
如图1所例示,本实施方式的车辆用交流发电机1包括壳体10、定子20、转子30、励磁绕组供电装置40、整流器45等。壳体10由各自一端开口的有底圆筒状的前壳体11和后壳体12构成。前壳体11和后壳体12在开口部彼此接合的状态下由螺栓13旋紧。
定子20具有圆环状的定子铁芯21和电枢绕组25。定子铁芯21形成有沿周向排列的多个切槽22和极齿23(参照图7)。电枢绕组25由卷绕于定子铁芯21的切槽22的三相的相绕组形成。定子20以轴向上被前壳体11和后壳体12的周壁的内周面夹住的状态固定。
转子30具有旋转轴31、伦德尔型的励磁铁芯32、励磁绕组33及多个永磁体34。旋转轴31经由一对轴承14能够自由旋转的方式支承于壳体10。励磁铁芯32由嵌合固定于旋转轴31的外周的一对磁极铁芯32a、32b构成。励磁绕组33卷绕于励磁铁芯32的轴套部321的外周侧。永磁体34配置于在励磁铁芯32的周向上相邻的爪状磁极部323之间。转子30以励磁铁芯32与定子20的内周侧在径向上相对并能旋转的方式设置。转子30通过固定于旋转轴31的前端部的带轮35而被装设于车辆的发动机(未图示)驱动旋转。
如图1和图2所例示,励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。第一磁极铁芯32a固定于旋转轴31的前侧(图1的左侧)。第二磁极铁芯32b固定于旋转轴31的后侧(图1的右侧)。第一磁极铁芯32a由圆筒状的第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。第一轴套部321a在励磁绕组33的径向内侧使励磁磁通沿轴向流动。第一盘部322a以周向上的规定间隔从第一轴套部321a的轴向前端部朝径向外侧延伸并使励磁磁通沿径向流动。第一爪状磁极部323a在第一轴套部321a的外周侧,从第一盘部322a的前端以围住励磁绕组33的方式沿轴向延伸并与定子铁芯21进行磁通传输。
此外,第二磁极铁芯32b也具有与第一磁极铁芯32a的形状相同的形状。然而,将第二磁极铁芯32b的第二轴套部标记为321b,将第二盘部标记为322b,将第二爪状磁极部标记323b。第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b由软磁体构成。
本实施方式的励磁铁芯32由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成。即,各爪状磁极部323由饱和磁通密度Bs高的材料形成。爪状磁极部323之外的轴套部321和盘部322由饱和磁通密度Bs低的材料形成。作为饱和磁通密度Bs高的材料,可以举出,例如,S10C(JIS标准)等碳含量0.1%左右的材料。此外,作为饱和磁通密度Bs低的材料,可以举出,例如,S45C(JIS标准)等碳含量多的材料。另外,SUS430(JIS标准)、电磁钢板等也与S10C相比,饱和磁通密度Bs较低。
另外,饱和磁通密度Bs低的材料采用导磁率比饱和磁通密度Bs高的材料的导磁率高的材料。作为导磁率高的材料,可以举出,例如,坡莫合金。可以例举添加了镍钴的铁,但由于饱和磁通密度Bs高,因此,不适用。
使第一爪状磁极部323a和第二爪状磁极部323b以彼此不同的朝向来配合,将第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b组装成第一磁极铁芯32a的轴向后端面和第二磁极铁芯32b的轴向前端面面接触的状态。藉此,第一磁极铁芯32a的第一爪状磁极部323a与第二磁极铁芯32b的第二爪状磁极部323b在周向上交替配置。第一和第二磁极铁芯32a、32b各具有八个爪状磁极部323。在本实施方式中,形成为16极(N极:8,S极:8)的伦德尔型转子铁芯。
如图3所例示,在本实施方式的情况下,设励磁铁芯32的轴套部321的外径为Db(以下,也称作“轴套部外径Db”),设转子30(励磁铁芯32)的外径为Dr(以下,也称作“转子外径Dr”)。此时,在本实施方式中,轴套外径Db与转子外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内。关于轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系,在后面详述。
此外,设爪状磁极部323的外周面的表面积为As(以下,也称作“爪状磁极部表面积As”),设轴套部321的对应一对NS极的沿轴向延伸的铁芯截面积(与铁芯的延伸方向(轴向)垂直的截面的面积)为Ab(以下,称作“轴套部截面积Ab”)。此时,在本实施方式中,爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内。在此,如图3和图4所例示,设圆筒状的轴套部321的总截面积为A,旋转电机的极对数为P时,轴套部截面积Ab由A/P表示。
接着,对爪状磁极部表面积As进行定义。如图5和图6所示,在本实施方式的情况下,设从爪状磁极部323的根部至盘部322的周向宽度为Wrr,设爪状磁极部323的前端的周向宽度为Wte,设爪状磁极部323的轴向高度为Ht。此外,设在径向相对的转子30与定子20的相对面上,定子铁芯21的轴长和盘部322的轴向厚度在径向上重合的范围为称作盘部导向的Hdg。另外,在设于盘部322、爪状磁极部323、定子铁芯21的、以磁体插入用或强度增加用等为目的而设计的缺口部、R部、倒角部中,没有产生较大差异。此时,爪状磁极部表面积As为As=(Wte+Wrr)×Ht/2+Hdg×Wrr。此外,在本发明中,周向宽度W是不考虑曲率而在直线距离上测量的宽度。另外,对于爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系,在后面详述。
励磁绕组33以与励磁铁芯32绝缘的状态卷绕于第一磁极铁芯32a的第一轴套部321a、第二磁极铁芯32b的轴套部321b的外周侧,并被第一和第二爪状磁极部323a、323b围住。励磁电流If从励磁电流控制电路(未图示)向上述励磁绕组33通电,从而在轴套部321产生磁动势。藉此,在第一磁极铁芯32a的第一爪状磁极部323a和第二磁极铁芯32b的第二爪状磁极部323b分别形成不同极性的磁极。即,第一爪状磁极部323a被磁化成NS极中的一方的极性,第二爪状磁极部323b被磁化成NS极中的另一方的极性。
藉此,如图7和图8所例示,利用穿过励磁铁芯32的轴套部321和一对第一、第二爪状磁极部323a、323b的磁通,从而形成d轴磁路36(由图7和图8中的虚线表示)。d轴磁路36从定子铁芯21的d轴的极齿23进入励磁铁芯32的第一爪状磁极部323a,经过第一盘部322a、第一轴套部321a、第二轴套部321b、第二盘部322b、第二爪状磁极部323b。接着,从位于定子铁芯21的相差一个磁极的位置的极齿23回到定子铁芯21后,穿过背轭24而到达位于相差一个磁极的位置的d轴的极齿23。d轴磁路36是产生转子30的反电动势的磁路。
此外,利用d轴磁路36和后述第一磁体磁路38的与定子20交链的磁通,从而使电流在电枢绕组25中流动。藉此,形成q轴磁路37(在图7中由实线表示)。q轴磁路37是由穿过位于与定子铁芯21的d轴相差90°电角度的位置的q轴的磁通而形成的磁路。在本实施方式中,在转子30施加有负载的情况下,d轴磁路36的磁导Prt与q轴磁路37的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
在此,在转子30施加有负载的情况是指,作为额定电流而向励磁绕组33通电的励磁电流If在作为车辆用电刷的能力的、一般为If=4(A)~20(A)之间通电的状态。另外,若电刷的技术提高,则也可以是那种情况下的励磁电流If(例如30(A)等)。此外,若是像无刷那样的、不限制励磁电流If的结构,则只要在比上述更大的励磁电流If的情况下使Pst>Prt的条件成立即可。另外,即使是在当前的电刷中,使Pst>Prt成立意味着:上述的使轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内以及使爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内的效果非常显著。
此外,d轴磁路36的磁导Prt与q轴磁路37的磁导Pst之比设定为Pst:Prt=2n(n为1以上的实数):1。在此,q轴电感Lq与d轴电感Ld之比(Lq/Ld)为突极比ρ。如图9所例示,现有的伦德尔型转子的突极比ρ为ρ≒1。此外,现有的IPM型转子的突极比ρ为ρ≒2~4。对此,在本实施方式中,将d轴磁路36与q轴磁路37的磁导比如上所述地设定。藉此,在伦德尔型转子中,也使朝转子30施加负载时的方式接近IPM型转子。此外,能使突极比ρ为2以上。另外,关于d轴磁路36的磁导Prt和q轴磁路37的磁导Pst的测定方法,在后面详述。
此外,如图2、图3及图8所示,在周向上交替配置的第一爪状磁极部323a与第二爪状磁极部323b之间,形成有轴向倾斜地纵长延伸的间隙。在各间隙中,各配置有一个永磁体34。各永磁体34具有长方体形状的外形,易磁化轴朝向周向,以周向两侧的磁极部分别与第一和第二爪状磁极部323a、323b的周向侧面抵接的状态,保持于第一和第二爪状磁极部323a、323b。即,各永磁体34形成为其极性与通过励磁绕组33的磁动势而交替出现于第一、第二爪状磁极部323a、323b的极性一致。
在本实施方式中,如上述那样地配置有永磁体34。藉此,如图10所例示,在各永磁体34中,各形成有两个第一和第二磁体磁路38、39。第一磁体磁路(由图10中的点划线表示)38是磁体磁通中的、与定子20交链的磁通流动的磁路。第二磁体磁路(由图10中的双线表示)39是磁体磁通中的、穿过轴套部321a、盘部322a、322b的、在转子30内结束的磁通流动的磁路。观察上述磁体磁通,穿过轴套部321的第二磁体磁路39是对于定子20无效的磁体磁通流动的磁路。另一方面,第一磁体磁路38是与定子20交链、成为反电动势、转矩的磁体磁通流动的磁路。
在上述情况下,第一磁体磁路38和上述d轴磁路36共用从第二爪状磁极部322b,经过定子20,回到第一爪状磁极部323a的磁路。此外,第二磁体磁路39和d轴磁路36公用转子30的第一和第二轴套部321a、321b以及第一和第二盘部322a、322b的部分的磁路。
另外,在本实施方式的情况下,设轴套部321的对应一对NS极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab,设轴套部321的施加5000(A/m)的励磁时的磁通密度为B50。此外,设配置于爪状磁极部323之间的永磁体34的残留磁通密度为Br,设永磁体34的作为磁极的面的截面积为Am。此时,在本实施方式中,设定成满足2×Br(T)×Am(mm2)<B50(T)×Ab(mm2)的关系。关于上述关系的设定,在后面详述。
励磁绕组供电装置40是用于向励磁绕组33供电的装置。如图1所示,励磁绕组供电装置40具有一对电刷41、一对集电环42及调节器43等。一对集电环42嵌合并固定于旋转轴31的轴向一端(图1的右侧端)。一对电刷41配置成在径向内侧的前端压至集电环42的表面的状态下可以滑动。一对电刷41通过集电环42而向励磁绕组33供电。调节器43是通过对流向励磁绕组33的励磁电流If进行控制,从而对车辆用交流发电机1的输出电压进行调节的装置。此外,整流器45与电枢绕组25电连接。整流器45是将从电枢绕组25输出的交流电整流成直流电的装置。整流器45由多个二极管(整流元件)等构成。
通过皮带等将来自发动机的旋转力传递至带轮35,具有以上结构的车辆用交流发电机1使转子30与旋转轴31一同沿规定方向旋转。车辆用交流发电机1在上述状态下,通过集电环42,从电刷41向转子30的励磁绕组33施加励磁电压。藉此,第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b各自的第一爪状磁极部323a和第二爪状磁极部323b被励磁,沿转子30的旋转周向交替地形成NS极。其结果是,在车辆用交流发电机1中,向定子20的电枢绕组25施加旋转磁场。藉此,在车辆用交流发电机1中,使交流的电动势产生于电枢绕组25。在电枢绕组25产生的交流电动势通过整流器45整流成直流电后,从输出端子取出而向电池(未图示)供给。
与现有的装置相比,具有以上结构的车辆用交流发电机1具有以下特征,磁极铁芯32a、32b的轴套部321a、321b较细,或者,磁极铁芯32a、32b的盘部322a、322b较薄。因此,在车辆用交流发电机1中,轴套部321a、321b变细的部分或者盘部322a、322b变薄的部分能供更多的励磁绕组33卷绕。或者,在车辆用交流发电机1中,轴套部321a、321b变细的部分或者盘部322a、322b变薄的部分能使构成励磁绕组33的线材形成得粗。其结果是,在车辆用交流发电机1中,在由励磁铁芯32和励磁绕组33构成的转子30中,励磁绕组33的体积比率增加。励磁绕组33是通过由铜等形成的线材构成的,因此,与由铁等形成的励磁铁芯32相比,导热性好。也就是说,在由励磁铁芯32和励磁绕组33构成的转子30中,比励磁铁芯32的导热性好的励磁绕组33的体积比率增加。因此,在车辆用交流发电机1中,能使转子30的散热性提高。藉此,在车辆用交流发电机1中,能通过空冷对转子30进行冷却。
因此,在车辆用交流发电机1中,轴套部321a、321b变细的部分或者盘部322a、322b变薄的部分使构成磁极铁芯32a、32b的材料的总量减少。因此,使在通过锻造成形的情况下所需的加压力减少。藉此,尽管在本实施方式中轴套部321是单体的,但能容易地使轴套部321和盘部322甚至爪状磁极部323一体成形。
<关于2×Br(T)×Am(mm2)<B50(T)×Ab(mm2)的关系设定>
本发明的旋转电机以与12~48(V)、即使加上公差范围也为6(V)以上、60(V)以下的电源连接的、能与交流发电机、起动机等置换的车辆用旋转电机为对象。因此,在本发明的旋转电机中,不能如IPM型转子那样,很大地输出反电动势。在通常示例的由70~120(mm)左右的转子直径、30~80(mm)左右的转子轴长构成的产品组中,在由IPM型转子构成的情况下,产生200~300(V)的反电动势。在此,会担心12~48(V)的电池的过充电、即使降低过充电也会因高电压对其它电气零件造成影响。因此,不能使上述反电动势充分下降。
因此,在本发明的旋转电机中,设定成满足2×Br(T)×Am(mm2)<Bs(T)×Ab(mm2)的关系以解决上述问题,不这样的话,就不能使磁通充分下降。Bs(T)是励磁铁芯32的饱和磁通密度。在此,若不使相对导磁率足够高,则不能充分对Br(T)进行吸收。另外,虽然采用了励磁铁芯32的饱和磁通密度Bs(T),但在此,认为是通常使用的B50(T)的值。
一般,在12~48(V)的产品中,施加于励磁铁芯32的磁动势为2500AT以下。因此,永磁体34的厚度(mm)和保持力(Hc)设计成在5000A左右以上具有安全率。Br值和Hc值根据设计者所考虑的温度发生一定改变。但是,在使用能想到的-40~160(℃)的任意温度范围内,需要具有5000A的范围。在此,由在5000AT左右设计的永磁体34和5000A时的磁通密度即B50的值所限定的本发明的可信性非常高。在此以前的相对导磁率为30以上,足够高。此外,即使在励磁铁芯32存在空隙,与用于插入的空隙、稍大点的用于保持空隙距离1(mm)左右的空隙连接的、具有残留磁通密度Br的永磁体34也能以足够高的磁导设置于磁路。因此,执行磁通密度Bd(T)考虑为Bd(T)=Br(T)即足够。
<磁导的测定方法>
以下,对于d轴磁路36的磁导Prt和q轴磁路37的磁导Pst的测定方法,进行说明。图11和图12是示意地表示转子30的N极和S极、励磁绕组33、定子20的说明图。在测定时,将直流电源与励磁绕组33连接。此外,将连接有LCR仪表和电压探针的测量器等与导通的定子20的任意端子连接。测量器等是如示波器那样,对电压进行测量的设备即可。因此,测量器等可以是电压探针与所有电压测量器的组合。
此时,定子20与转子30之间的位置关系较为理想的是,相对于转子30的d轴中心,转子20不进行弱磁场励磁而朝q轴励磁。这是由于,在弱磁场励磁的情况下,对于转子30的磁路会施加有弱磁场,因此,存在不能正确地进行测定的可能性。当然,若处于弱场效应的较低的电角度15°左右以内的范围内,则弱磁场效应是励磁磁通中的、sin15°≒0.25。因此,只要是在与q轴通电相差±15°电角度的范围内,能获得最大的电感的位置关系的数据,就能确保一定程度的可靠性。此外,考虑省去磁体磁通,较为理想的是,去除永磁体34或者充分减磁以进行测定。
图13是表示比较例一的旋转电机的磁导的测定结果的线图。图14是表示本实施方式的旋转电机的磁导的测定结果的线图。另外,比较例一以由上述专利文献1记载的公式限定的旋转电机作为对象。如图13所示,在比较例一的情况下,在无负载状态下,转子30的磁导较高。然而,随着转子30的励磁电流上升,变为与定子20相同的磁导。由于存在于q轴的磁屏蔽、磁体等,因此,无负载状态下的定子20的磁导比转子30的磁导低。即,磁通难以流到定子20,能防止无负载的反电动势导致的过充电。关于该点,比较例一与本实施方式是相同的,但在负载时,定子20的磁导比转子30高。即,磁通容易流向定子20,负载时的反电动势上升,能得到高的主磁通转矩(主磁通(磁体磁通+励磁磁通)×电流值)。在此,设磁体转矩为Tm,主磁通为Ψ,q轴电流为Iq,则Tm(Nm)=Ψ×Iq。
接着,参照图15和图16,对转子30的磁导值的计算方法进行说明。励磁绕组33由直流电源励磁,激励成励磁回路(d轴磁路36)。此时,使转子30旋转,从而产生反电动势。若确定任意转速,以定速旋转而对反电动势进行测定,则根据转子30的转速,反电动势增加。在此,可知,转子30的反电动势与励磁回路的饱和配合,随着斜率的变化而存在饱和倾向。在此,设无负载时的电感L_0(日文:エルゼロ)为0AT与0+XAT之间的磁通变化。另外,下标例如100AT励磁时的电感记载为L_100(日文:エルひゃく)。此外,励磁电流I是(直流电源的流入电流值)×(卷绕于轴套部321的励磁绕组33的匝数)。
L_0=(V_x-V_0)/(I_x-I_0)
例如,100AT励磁时的电感如下所示。
L_100=(V_200-V_100)/(200-100)
在上述情况下,已经在分母上乘以了匝数,因此,转子30的磁导值(H)等于上述电感值(H)。即,P=L/N2
接着,参照图17和图18,对定子20的磁导值的计算方法进行说明。励磁绕组33由直流电源励磁,激励成励磁回路(d轴磁路36)。此时,在定子20和转子30位于上述位置关系的状态下,若向定子20通电,则磁通发生变化。若将旋转电机的旋转轴31锁定,使励磁电流If增加,则定子20的磁动势下降。因此,能对电感下降的方式进行测定。将上述电感值除以定子20的串联导体数的两次方,从而求出磁导值。P=L/N2
<关于爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系以及轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系>
在此,对于磁体磁通的有效可用范围进行探讨。在上述专利文献1记载的关系式的规定中,对部分设定了条件。因此,例如,当励磁铁芯的轴套部等的大小发生了变化时,存在上述关系式变得不成立的可能性。因此,对转子整体进行研究。
盘极型旋转电机在和定子与转子的相对面不同的位置(轴套部)产生磁通,其磁通沿轴向穿过,从而能完全利用定子的轴长。如图4所示,在上述爪极型旋转电机中,设轴套部截面积Ab、盘部322的截面积Ad(以下,也称作“盘部截面积Ad”)以及爪状磁极部323的根部截面积At(以下,也称作“爪状磁极部截面积At”)大致恒定,而输出磁通。
另外,在从轴套部321到盘部322形成有阶梯部、截面积局部形成得小的情况下,将其截面积小的部分作为轴套部截面积Ab或者盘部截面积Ad。通过设置上述阶梯部,从而使容许磁通量改变。此外,通过向卷绕于轴套部321的外周侧的励磁绕组33(在图4中未图示)通电,从而各爪(爪状磁极部323)具有仅使产生于轴套部321的励磁磁通穿过的相对面面积(根据轴套部截面积Ab的、适当的与定子20的相对面面积)。
如图4所示,在盘部322靠着定子20的情况下,盘部322靠着定子20的轴长Tst这部分,会比轴套部截面积Ab减少爪状磁极部表面积As。即,能将Ab≒Ad≒As,或者As≒Ab-(Tst-Tb)/2×W计算为理想值。在此,在装设有永磁体34的转子中,增加有磁源。因此,应该存在其它解。
在装设有永磁体34和励磁回路的转子30中,磁体磁通被分流到与励磁磁通(d轴磁路36)相反而穿过转子30内的路径(图10的第二磁体磁路39)和绕定子20侧的路径(图10的第一磁体磁路38)这两个方向。即,应该能使图4所示的、轴套部截面积Ab、盘部截面积Ad及爪状磁极部截面积At这三点比以往小。同时,关于感应电压,需要满足Ab×B50≧2×Am×Br的关系来进行考虑。此外,此时,轴套部外径Db(参照图3)变小。因此,励磁绕组33的配置空间变大,发热量应该变小。
在此,若转子外径Dr(参照图3)确定,则即使极数改变,爪状磁极部323的宽度W与轴套部321的一个极的宽度之比也几乎不变化。因此,转子外径Dr与轴套部外径Db之比应该可以唯一地确定。能根据反向流动的磁体磁通和励磁磁通来计算轴套部外径Db。此时,为了抑制发热,考虑到现实的空冷能力,若为电动机,则使励磁绕组33的电阻值为0.1~1.0(Ohm),若为发电机,则使励磁绕组33的电阻值为1.0~3.0(Ohm),这一点自不必说。
Ab×B50-2×Am×Bd×(Prt/(Pst+Prt))=Abopt(Ab的理想值)
此外,在当前技术阶段,爪状磁极部表面积As为能使励磁磁通充分流动的值。在此,现有的永磁体主要是起到防止爪状磁极部之间的磁通泄露的作用。因此,流通的带有钕磁体的伦德尔型的旋转电机的爪状磁极部表面积As处于基于轴套部截面积Ab的值的范围内。即,As处于基于满足Ab×0.8~Ab×1.2的Ab的值的范围内。在本发明中,能有效地利用Bd×(Pst/(Pst+Prt))的计算公式。因此,用于与定子20之间进行磁通传递的爪状磁极部表面积As在Ab×Bs,仅具有2×Am=Ab×B50÷Br的磁体。藉此,爪状磁极部表面积As需要是供最适值为“As=Bb×Am+Ab×Bs”的转子30的磁通到达定子20的尺寸,应该比Ab×1.2大。
以下,作为Ab×B50=2×Am×Br,对于能有效地利用磁体磁通的范围进行探讨。这是表示励磁回路形成为能将磁体磁通封住的尺寸。在上述状态下,设爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之比(As/Ab)为横轴,定子20的负载时的交链磁通量为纵轴,从而如图19所示。由图19可知,交链磁通量在As/Ab大约为1.0~1.5的范围内达到峰值,较为理想的是在As/Ab为0.9~1.7的范围内。另外,现有技术(专利文献1)的As/Ab的范围是0.4~0.8左右,与本发明的As/Ab的较为理想的范围不重叠而是偏离的。
在此,对As/Ab=1.4进行探讨。此外,将以下作为前提而进行探讨:励磁磁通量和被抑制的磁体磁通的量是合适的,能利用与IPM型转子大致相同的磁体。此时,对怎样的轴套部外径Db最合适进行计算。设轴套部外径Db与转子外径Dr之比(Db/Dr)为横轴,设定子20的负载时的交链磁通量为纵轴,则如图20所示。由图20可知,交链磁通量在Db/Dr为0.51附近达到峰值,较为理想的范围是在Db/Dr为0.46~0.53的范围内。另外,现有技术(专利文献1)的Db/Dr的范围是0.54~0.595左右,与本发明的Db/Dr的较为理想的范围不重叠而是偏离的。
另外,设爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之比(As/Ab)为纵轴,设轴套部外径Db与转子外径Dr之比(Db/Dr)为横轴,则如图21所示。由图21所示,可知,本发明的范围与现有技术的范围不重叠而是偏离的。
在本探讨中,在Ab×B50=2×Am×Br的值大的情况下,为了发挥更大的效果,假设为Br=1.2(T)左右的磁体。可知,发挥最大效果的材料不是Br=0.4(T)左右的Fe磁体,而是Br=1(T)以上的钕磁体。此外,由于使轴套部截面积Ab变小,从而能将变小的部分的空间用于使励磁绕组33的电阻下降。因此,能降低励磁绕组33的发热量。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机1中,通过配置于在周向上相邻的爪状磁极部323之间的永磁体34,从而形成与定子20交链的磁通流动的第一磁体磁路38以及穿过轴套部321、在转子30内结束的磁通流动的第二磁体磁路39这两个磁体磁路。此外,在转子30施加有负载的情况下,即,在励磁绕组33通电有励磁电流If时,由励磁绕组33的磁动势而形成的磁通形成为经由励磁铁芯32的轴套部321、一对爪状磁极部323及定子铁芯21而流动的d轴磁路36。此时,流过两个磁体磁路38、39中的第二磁体磁路39的磁体磁通沿与d轴磁路36的磁通相反方向流动。因此,处于磁阻大而难以流动的状态。因此,在本实施方式中,将d轴磁路36的磁导Prt和q轴磁路37的磁导Pst之间的关系设定成Pst>Prt。因此,两个磁体磁路38、39中的、与定子20交链的磁通流动的第一磁体磁路38的磁体磁通增大。藉此,在本实施方式中,能有效地利用磁体磁通而能大幅地提高发电能力。
此外,在本实施方式中,设轴套部截面积为Ab,轴套部321施加有5000(A/m)的励磁时的磁通密度为B50。此外,设永磁体34的残留磁通密度为Br,永磁体34的作为磁极的面的截面积为Am。此时,在本实施方式中,设定成满足2×Br(T)×2×Am(mm2)<B50(T)×Ab(mm2)的关系。藉此,在本实施方式中,能使永磁体34的产生磁力被d轴磁路36吸收。因此,反电动势下降,能抑制不通电时的高速旋转状态下的发电电力。
此外,在本实施方式中,将d轴磁路36的磁导Prt与q轴磁路37的磁导Pst之比设定为Pst:Prt=2n(n为1以上的实数):1。因此,在伦德尔型转子中,朝转子30施加负载时的方式也接近IPM型转子的朝转子30施加负载时的方式。此外,能使q轴电感Lq与d轴电感Ld之比(Lq/Ld)即突极比ρ为2以上。藉此,在本实施方式中,能输出与IPM型转子大致相同的磁阻转矩。
此外,在本实施方式中,爪状磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内。即,意味着爪状磁极部表面积As比轴套部截面积Ab大。藉此,将现有的、相邻的爪状磁极部323之间的以磁通的整流、防止泄漏为目的来使用的永磁体34在本实施方式中像IPM型转子那样来使用。藉此,不是防止泄漏而是使磁通增加。也就是说,能起到转矩提高源和输出提高源的功能。
此外,在本实施方式中,轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内。在本实施方式中,轴套部截面积Ab是将磁体磁力对于轴套部的磁力的反作用考虑为最大限度而设定的范围。在励磁铁芯32中,仅使此时的磁体磁力产生的反作用反弹的部分的轴套部321的磁力起作用。此时,爪状磁极部截面积At能将轴套部321的总磁力和磁体的总磁力向定子20侧传递。
此外,在本实施方式中,永磁体34的残留磁通密度Br为1(T)以上。在钕铁硼的粘接磁体、钐铁氮的通过射出成型的塑料成型磁体等的情况下,磁体磁力大多不能向励磁铁芯32充分供给反磁场。即,为了准备磁体的截面积,大多要削减励磁绕组33的空间。因此,上述的作用和效果尤其在永磁体34的残留磁通密度Br为1(T)以上的情况下能有效地发挥。
此外,在本实施方式中,励磁铁芯32的形成有d轴磁路36的部位由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成。爪状磁极部323由饱和磁通密度Bs高的材料形成,爪状磁极部323之外的部位由饱和磁通密度Bs低的材料形成。藉此,在本实施方式中,轴套部321很快就磁通饱和,容易变为IPM型转子的磁通特性的状态。因此,能实现使发电能力进一步可靠地提高。
此外,在本实施方式中,用于爪状磁极部323之外的部位的饱和磁通密度Bs低的材料的导磁率比饱和磁通密度Bs高的材料的导磁率高。因此,在没有向转子30施加负载时,电动势的吸收效果提高。
[第二实施方式]
参照图24~图32,对第二实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机具有无刷结构这一点与第一实施方式不同。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<车辆用交流发电机的整体结构>
如图24、图25及图26所示,本实施方式的车辆用交流发电机2构成为包括环状的定子20、转子50、壳体10等。此外,车辆用交流发电机2是如上所述的无刷结构。定子20在定子铁芯21卷绕有电枢绕组25。转子50与定子20的内周侧在径向上相对配置。壳体10将定子20和转子50收容并支承于内部。
壳体10具有中空圆筒状的筒状部15、圆板状的罩部16、轴套部17。罩部16嵌合固定于筒状部15的一端侧的开口部。轴套部17从罩部16的中央部沿轴向突出并同心状地配置于筒状部15的内周侧。在轴套部17的轴向中央部的外周侧,以与轴套部17绝缘的状态卷绕有由通电而产生磁动势的一对励磁绕组53。一对励磁绕组53并列连接,在轴向上分开地配置。此外,通过输出线53a与供给励磁电流If的电源(未图示)连接。
定子20具有圆环状的定子铁芯21和电枢绕组25。定子铁芯21形成有沿周向排列的多个切槽和极齿(未图示)。电枢绕组25由卷绕于定子铁芯21的切槽的三相的相绕组形成。在电枢绕组25,连接有输出在电枢绕组25中产生的三相交流电的输出线26。定子20的定子铁芯21的外周面固定于壳体10的筒状部15的内周面。
如图24所例示,转子50通过设置于轴套部17的轴向两端部的一对轴承14而以能旋转的方式支承于轴套部17。转子50位于一对励磁绕组53的径向和轴向外侧,与定子20的内周侧在径向上相对地配置。转子50通过嵌合固定于前侧的N极铁芯52b的连结构件60、驱动力传递元件(未图示),从而被装设于车辆的发动机(未图示)驱动旋转。如图27~图29所示,转子50具有串联型的励磁铁芯52和多个永磁体54。励磁铁芯52具有铁芯52a、一对N极铁芯52b、S极铁芯52c、N极(磁极部)52n及S极(磁极部)52s。永磁体54埋设于铁芯52a。
如图28所例示,励磁铁芯52的铁芯52a形成为中空圆筒状。铁芯52a具有圆形截面的8个N极孔52d、圆形截面的8个S极孔52e、矩形截面的16个磁体收容孔52f。N极孔52d供N极52n插入配置。S极孔52e供S极52s插入配置。磁体收容孔52f供永磁体54埋设。8个N极孔52d和8个S极孔52e沿周向以规定距离隔开,交替地配置。N极孔52d和S极孔52e相对于铁芯52a的中心轴线平行地形成。藉此,收容于N极孔52d的N极52n和收容于S极孔52e的S极52s在轴套部17的外周侧,沿轴向延伸并在周向上交替地配置。此外,磁体收容孔52f在相邻的N极孔52d与S极孔52e之间,隔着规定的距离而各设置一个。
如图29所例示,一对N极铁芯52b形成为圆环状。此外,在铁芯52a的周向两端面被夹住的状态下,其内周面嵌合固定于轴套部17的外周面(参照图24)。在各N极铁芯52b的外周部,在周向上交替地各形成有8个朝径向凹陷的凹部和朝径向突出的凸部。在各凸部,形成有保持N极52n的端部的保持孔52g。此外,N极52n在轴向中间部分嵌插到铁芯52a的N极孔52d的状态下,两端部保持于一对N极铁芯52b的保持孔52g。
如图29所例示,S极铁芯52c形成为圆环状。此外,S极铁芯52c的内径与N极铁芯52b的内径相同。S极铁芯52c位于一对励磁绕组53之间,嵌合固定于轴套部17的轴向中央部的外周面(参照图24)。在S极铁芯52c的外周部,在周向上交替地各形成有8个朝径向凹陷的凹部和朝径向突出的凸部。此外,S极铁芯52c的凸部的突出前端面(外周面)位于与N极铁芯52b的凹部的底面相同的位置。S极铁芯52c以其凸部的突出前端面(外周面)与铁芯52a的内周面接触的状态配置(参照图24)。藉此,S极铁芯52c通过铁芯52a与收容于S极孔52e的S极52s磁气连接。
与第一实施方式相同,在本实施方式的情况下,设励磁铁芯52的轴套部的外径为Db(以下,也称作“轴套部外径Db”),设转子50(励磁铁芯32)的外径为Dr(以下,也称作“转子外径Dr”)。此时,在本实施方式中,轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内。关于轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系,在后面详述。
此外,与第一实施方式相同,设作为磁极部的N极52n和S极52s的外周面的表面积为As(以下,也称作“磁极部表面积As”),设轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab(以下,也称作“轴套部截面积Ab”)。此时,在本实施方式中,磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内。在此,在设圆筒状的轴套部的总截面积为A、旋转电机的极对数为P的情况下,轴套部截面积Ab表示为A/P。
永磁体54具有矩形截面且长方体形状的外形,一个一个地埋设于设置在铁芯52a的磁体收容孔52f。永磁体54的残留磁通密度Br为1(T)以上。各永磁体54配置成易磁化轴朝向周向。各永磁体54的磁极与通过励磁绕组53的磁动势在各磁极部(N极52n、S极52s)交替出现的极性。在本实施方式中,如上述那样地配置永磁体54。藉此,如图30所例示,在各永磁体54中,各形成有两个第一和第二磁路58、59。
第一磁体磁路(在图30中由点划线表示)58是磁体磁通中的、穿过铁芯52a的S极孔52e、永磁体54及N极52n并经由定子铁芯21回到铁芯52a的S极52s的磁通流动的磁路。此外,第二磁体磁路(在图30中由双重线表示)59是磁体磁通中的、以穿过铁芯52a的S极52s、永磁体54及N极52n并从S极铁芯52c经由轴套部17和N极铁芯52b回到铁芯52a的S极52s的方式流动并在转子50内结束磁通流动的磁路。观察上述磁体磁通,穿过轴套部17的第二磁体磁路59是对于定子20无效的磁体磁通流动的磁路。另一方面,第一磁体磁路58是与定子20交链、成为反电动势、转矩的磁体磁通流动的磁路。
另外,励磁电流If从励磁电流控制电路(未图示)向上述励磁绕组53通电,从而在轴套部17产生磁动势。其结果是,使N极52n磁化成N极,并且使S极52s磁化成S极。藉此,如图31所例示,形成有磁通以从壳体10的轴套部17穿过一对N极铁芯52b和N极52n,经由定子铁芯21而穿过铁芯52a的S极52s、S极铁芯52c,并回到轴套部17的方式流动的d轴磁路56(在图31中由虚线表示)。在上述情况下,由于在穿过轴向中央部的S极铁芯52c后,在轴向两侧,d轴的N极朝向反转,因此,如图24所示,d轴磁路56的磁通分流成d1和d2这两个。d轴磁路56是产生转子50的反电动势的磁路。
此外,利用d轴磁路56和第一磁体磁路58的与定子20交链的磁通,从而使电流在电枢绕组25中流动。藉此,形成q轴磁路57(在图31中由实线表示)。q轴磁路57是由穿过位于与定子铁芯21的d轴相差90°电角度的位置的q轴的磁通而形成的磁路。即使在实施方式中,也与第一实施方式相同,在转子50施加有负载的情况下,d轴磁路56的磁导Prt与q轴磁路57的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
此外,在本实施方式中,与第一实施方式相同,d轴磁路56的磁导Prt与q轴磁路57的磁导Pst之比设定为Pst:Prt=2n(n为1以上的实数):1。藉此,朝转子50施加负载时的方式也接近IPM型转子。此外,能使突极比ρ为2以上。另外,关于d轴磁路56的磁导Prt和q轴磁路57的磁导Pst的测定方法,与第一实施方式相同。
在本实施方式的情况下,d轴磁路56与第一磁体磁路58共用从S极52,经由铁芯52a、定子20及铁芯52a而回到N极52n的磁路。此外,d轴磁路56与第二磁体磁路59共用从转子50的S极52s,经由铁芯52a、S极铁芯52c、轴套部17及N极铁芯52b而回到N极52n的部分的磁路。因此,d轴磁路56和第一磁体磁路58、第二磁体磁路59的至少一部分共用。
另外,在本实施方式的情况下,也与第一实施方式相同,设轴套部17的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab,设轴套部17的施加5000(A/m)的励磁时的磁通密度为B50。此外,设配置于N极52n与S极52s之间的永磁体54的残留磁通密度为Br,设永磁体54的作为磁极的面的截面积为Am。此时,在本实施方式中,设定成满足2×Br(T)×Am(mm2)<B50(T)×Ab(mm2)的关系。
此外,励磁铁芯52和壳体10的形成d轴磁路56的部位由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成。在本实施方式的情况下,作为磁极部的N极52n和S极52s由饱和磁通密度Bs高的材料形成。此外,励磁铁芯52的、N极52n和S极52s之外的部位和轴套部17由饱和磁通密度Bs低的材料形成。关于饱和磁通密度Bs高的材料和饱和磁通密度Bs低的材料,与第一实施方式中相同。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机2中,在转子50施加有负载的情况下,d轴磁路56的磁导Prt与q轴磁路57的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。因此,与第一实施方式相同,与定子20交链、由朝与d轴磁路56相同方向流动的磁通形成的第一磁体磁路58的磁体磁通增大。藉此,在本实施方式中,能有效地利用磁体磁通而大幅地提高发电能力。
此外,在本实施方式中,设轴套部截面积为Ab,轴套部17施加有5000(A/m)的励磁时的磁通密度为B50。此外,设永磁体54的残留磁通密度为Br,设永磁体54的作为磁极的面的截面积为Am。此时,在本实施方式中,设定成满足2×Br(T)×Am(mm2)<B50(T)×Ab(mm2)的关系。藉此,在本实施方式中,与第一实施方式相同,使反电动势下降,能抑制没有通电时的高转速状态下的发电电力。
此外,在本实施方式中,将d轴磁路56的磁导Prt与q轴磁路57的磁导Pst之比设定为Pst:Prt=2n(n为1以上的实数):1。因此,与第一实施方式相同,能使突极比ρ为2以上。藉此,在本实施方式中,能输出与IPM型转子大致相同的磁阻转矩。
此外,在本实施方式中,磁极部表面积As与轴套部截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内。即,意味着磁极部表面积As比轴套部截面积Ab大。藉此,将现有的、以相邻的磁极部之间的磁通的整流、防止泄漏为目的来使用的永磁体54在本实施方式中像IPM型转子那样来使用。藉此,不是防止泄漏而是使磁通增加。也就是说,能起到转矩提高源和输出提高源的功能。
此外,在本实施方式中,轴套部外径Db与转子外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内。在本实施方式中,轴套部截面积Ab是考虑磁体磁力对于轴套部的磁力的反作用为最大限度而设定的范围。在励磁铁芯52中,仅使此时的磁体磁力产生的反作用反弹的部分的轴套部的磁力起作用。此时,作为磁极部的N极52n和S极52s的根部截面积At能将轴套部的总磁力和磁体的总磁力向定子20侧传递。
此外,在本实施方式中,永磁体54的残留磁通密度Br为1(T)以上。在钕铁硼的粘接磁体、钐铁氮的通过射出成型的塑料成型磁体等的情况下,磁体磁力大多不能向励磁铁芯52充分供给反磁场。即,为了准备磁体的截面积,大多需要削减励磁绕组53的空间。因此,上述的作用和效果尤其在永磁体54的残留磁通密度Br为1(T)以上的情况下能有效地发挥。
此外,在本实施方式中,由励磁绕组55的磁动势而形成有d轴磁路56的励磁铁芯51由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成。N极52n和S极52s由饱和磁通密度Bs高的材料形成,N极52n和S极52s之外的部位由饱和磁通密度Bs低的材料形成。藉此,在本实施方式中,轴套部321很快就饱和,容易变为IPM型转子的磁通特性的状态。因此,能实现使发电能力进一步可靠地提高。
此外,在本实施方式中,用于N极52n和S极52s之外的部位的饱和磁通密度Bs低的材料的导磁率比饱和磁通密度Bs高的材料的导磁率高。因此,在没有向转子30施加负载时,电动势的吸收效果提高。
[第三实施方式]
参照图32,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机中构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图32所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一盘部322a上,为使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部322c。槽部322c形成于与第二盘部322b在轴向相对的第一盘部322a的内侧的面。槽部322c在第一盘部322a的径向的最外侧与第一爪状磁极部323a相连的部分,以沿周向延伸的方式形成为圆弧状。
磁通在第一盘部322a沿径向流动。在第一盘部322a的径向的最外侧与第一爪状磁极部323a相连的部分,在与第二盘部322b在轴向上相对的内侧的面上,以沿周向延伸的方式形成有圆弧状的槽部322c。因此,利用槽部322c,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,与第一爪状磁极部323a相连的第一盘部322a的最外周部分的截面变小。
在本实施方式中,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,截面积A2是与第一爪状磁极部323a相连的、供槽部322c形成的部分中的第一盘部322a的截面积A0的极对数P倍的面积。
第二磁极铁芯21b也是与第一磁极铁芯32a相同的形状。因此,为了局部地减小与磁通的流动方向正交的截面的面积,在第二盘部322b形成有槽部。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,励磁铁芯32的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。具体而言,盘部的截面的面积局部减小。因此,车辆用交流发电机的特性发生变化。也就是说,能容易地构成特性不同的车辆用交流发电机。此外,在本实施方式中,以转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。藉此,能确保和轴套部的外径Db与转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内的情况同样的磁力关系,能得到同样的效果。
此外,在本实施方式中,在第一盘部322a和第二盘部322b形成有圆弧状的槽部。藉此,与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。圆弧状的槽部能通过铣削等容易地进行加工。因此,能使与磁通的流动方向正交的截面的面积容易地局部变小。而且,仅是在第一盘部322a和第二盘部322b的内侧的面形成圆弧状的槽部,因此,能直接采用在槽部形成前使用的励磁绕组、绕线架等。因此,在本实施方式中,在构成为特性不同的车辆用交流发电机的情况下,能抑制改变产生的费用。
[第四实施方式]
参照图33,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机的盘部的截面积局部变小。本实施方式的旋转电机通过与第三实施方式不同的结构来使盘部的截面积局部变小。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图33所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一盘部322a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有宽度不同的槽部322d、322e。槽部322d、322e形成于与第二盘部322b在轴向相对的第一盘部322a的内侧的面。槽部322d、322e形成为从第一盘部322a的径向内侧的规定位置,朝径向外侧放射状地延伸。
磁通在第一盘部322a沿径向流动。在与第二盘部322b在轴向相对的第一盘部322a的内侧的面上,以从径向内侧的规定位置朝径向外侧放射状地延伸的方式,形成有槽部322d、322e。因此,利用槽部322d、322e,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,与第一爪状磁极部323a相连的第一盘部322a的最外周部分的截面变小。
在本实施方式中,与第三实施方式相同,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,与第三实施方式相同,截面积A2是与第一爪状磁极部323a相连的第一盘部322a的截面积A1的极对数P倍的面积。
第二磁极铁芯32b也是与第一磁极铁芯32a相同的形状。因此,在第二盘部322b,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,励磁铁芯32的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。具体而言,盘部的截面的面积局部减小。因此,车辆用交流发电机的特性发生变化。也就是说,能容易地构成特性不同的车辆用交流发电机。此外,在本实施方式中,以转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。藉此,在本实施方式中,能确保和轴套部的外径Db与转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内的情况相同的磁力关系,能得到同样的效果。
此外,在本实施方式中,在第一盘部322a和第二盘部322b形成有沿径向放射状地延伸的槽部。其结果是,在槽部之间放射状地形成有截面二阶矩高的肋。因此,在本实施方式中,与第三实施方式相比,能使励磁铁芯32对于离心力的刚性提高。此外,通过形成槽部,从而减少第一盘部322a与励磁绕组33之间的接触面积以及第二盘部322b与励磁绕组33之间的接触面积。因此,在本实施方式中,即使因涡电流导致励磁铁芯32发热,也能抑制从励磁铁芯32向励磁绕组33导热。因此,能抑制由热导致的劣化,能使励磁绕组33的可靠性提高。此外,在本实施方式中,与第三实施方式相同,能直接使用在槽部形成前采用的励磁绕组、绕线架等。因此,在构成为特性不同的车辆用交流发电机的情况下,能抑制改变产生的费用。
[第五实施方式]
参照图34,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机与第三和第四实施方式不同,使轴套部的截面积局部变小。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图34所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一轴套部321a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部321c。槽部321c在第一轴套部321a的轴向的中间部分的外周面形成为圆形状。
磁通在第一轴套部321a沿轴向流动。在第一轴套部321a的轴向的中间部分的外周面形成有圆形状的槽部321c。因此,利用槽部321c,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,第一轴套部321a的轴向的中间部分的截面的局部形成得比其它部分小。
在本实施方式中,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,截面积A2是形成有槽部321c的部分中的第一轴套部321a的截面积。是形成槽部321c的部分中的与轴向正交的截面的面积。
第二磁极铁芯32b也是与第一磁极铁芯32a相同的形状。因此,在第二轴套部321b上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,励磁铁芯32的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。具体而言,轴套部的截面积局部减小。因此,车辆用交流发电机的特性发生变化。也就是说,能容易地构成特性不同的车辆用交流发电机。此外,在本实施方式中,以转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。藉此,在本实施方式中,能确保和轴套部的外径Db与转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内的情况同样的磁力关系,能得到同样的效果。
此外,在本实施方式中,在第一轴套部321a和第二轴套部321b形成有槽部。因此,能不使对于离心力的刚性下降而构成励磁铁芯32。此外,在本实施方式中,与第三实施方式相同,能直接使用在槽部形成前采用的励磁绕组、绕线架等。因此,在构成为特性不同的车辆用交流发电机的情况下,能抑制改变产生的费用。
[第六实施方式]
参照图35,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机的轴套部的截面积局部变小。本实施方式的旋转电机是与第五实施方式不同的部分局部变小的结构。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图35所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一轴套部321a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有小径部321d。小径部321d是外径比其它部分的外径小的部位,形成于与第二轴套部321b在轴向上相对的第一轴套部321a的轴向端部。
磁通在第一轴套部321a沿轴向流动。在第一轴套部321a的轴向端部,形成有外径比其它部分的外径小的小径部321d。因此,利用小径部321d,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,第一轴套部321a的轴向端部的截面形成得比其它部分局部变小。
在本实施方式中,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,截面积A2是形成有小径部321d的部分中的第一轴套部321a的截面积。是形成小径部321d的部分中的与轴向正交的截面的面积。
第二磁极铁芯32b也是与第一磁极铁芯32a相同的形状。因此,在第二轴套部321b上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有小径部。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,也可以得到与第五实施方式相同的效果。
[第七实施方式]
参照图36,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机的轴套部的截面积局部变小。本实施方式的旋转电机通过与第五和第六实施方式不同的结构,使轴套部的截面积局部变小。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图36所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一轴套部321a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有倒角部321e。第一轴套部321a具有与旋转轴32嵌合的贯通孔部321f。倒角部321e遍及整周地形成于第一盘部322a侧的贯通孔部321f的轴向端部。
磁通在第一轴套部321a沿轴向流动。此外,在第一盘部322a沿径向流动。在与第一盘部322a相连的第一轴套部321a的第一盘部322a侧的部分,磁通的流向从轴向变为径向或者从径向变为轴向。在第一盘部322a侧的贯通孔部321f的轴向端部,遍及整周地形成有倒角部321e。因此,利用槽部321c,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。
在本实施方式中,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,设第一轴套部321a的外周面与第一盘部322a的内侧相接的点为K,设点K与倒角部321e的倾斜面321g的最短距离的连线为M。截面积A2是沿上述线M而切断的切口的面积。
第二磁极铁芯32b也是与第一磁极铁芯32a相同的形状。因此,在第二轴套部321b上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,励磁铁芯32的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。具体而言,轴套部的截面积局部减小。因此,车辆用交流发电机的特性发生变化。也就是说,能容易地构成特性不同的车辆用交流发电机。此外,在本实施方式中,以转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。藉此,在本实施方式中,能确保和轴套部的外径Db与转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内的情况同样的磁力关系,能得到同样的效果。
此外,在本实施方式中,在第一轴套部321a和第二轴套部321b形成有倒角部。藉此,与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。倒角部能通过钻孔等容易地进行加工。因此,能使与磁通的流动方向正交的截面的面积容易地局部变小。而且,仅是在第一轴套部321a和第二轴套部321b的贯通孔部的轴向端部形成倒角部,因此,能直接采用在倒角部形成前使用的励磁绕组、绕线架等。因此,在本实施方式中,在构成为特性不同的车辆用交流发电机的情况下,能抑制改变产生的费用。
[第八实施方式]
参照图37,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机的轴套部的截面积局部变小。本实施方式的旋转电机是与第七实施方式不同的部分局部变小的结构。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图37所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一轴套部321a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有倒角部321h。倒角部321h遍及整周地形成于第二轴套部321b侧的贯通孔部321f的轴向端部。
磁通在第一轴套部321a沿轴向流动。在第二轴套部321b侧的贯通孔部321f的轴向端部,形成有倒角部321h。因此,利用倒角部321h,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,第一轴套部321a的轴向端部的截面形成得比其它部分局部变小。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,也可以得到与第七实施方式相同的效果。
[第九实施方式]
参照图38,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机的轴套部的截面积局部变小。本实施方式的旋转电机通过与第五~第八实施方式不同的结构,使轴套部的截面积局部变小。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
励磁铁芯32由第一磁极铁芯32a和第二磁极铁芯32b构成。如图38所例示,第一磁极铁芯32a由第一轴套部321a、第一盘部322a及第一爪状磁极部323a构成。在第一轴套部321a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部321i。槽部321i在与第二轴套部321b在轴向相对的第一轴套部321a的轴向端面上形成为圆形状。
磁通在第一轴套部321a沿轴向流动。在第一轴套部321a的轴向端面形成有圆形状的槽部321i。因此,利用槽部321i,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,第一轴套部321a的轴向端部的截面形成得比其它部分局部变小。
在本实施方式中,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,截面积A2是形成有槽部321i的第一轴套部321a的轴向端部的截面积。由设置槽部321i而形成的圆筒部321j、321k的轴向端面的面积相加得到的面积。
第二磁极铁芯32b也是与第一磁极铁芯32a相同的形状。因此,在第二轴套部321b上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆交流发电机中,也可以得到与第五实施方式相同的效果。
[第十实施方式]
参照图39,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第一实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第一实施方式不同。本实施方式的旋转电机相当于第九实施方式的变形方式。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第一实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。
<励磁铁芯的结构>
如图39所例示,在第一轴套部321a上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部321l、321m。槽部321l、321m在与第二轴套部321b在轴向相对的第一轴套部321a的轴向端面上形成为同心圆形状。因此,利用槽部321l、321m,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,第一轴套部321a的轴向端部的截面形成得比其它部分局部变小。
在本实施方式中,以作为转子30的外径的第一磁极铁芯32a的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,截面积A2是形成有槽部321l、321m的第一轴套部321a的轴向端部的截面积。是由设置槽部321l、321m而形成的圆筒部321n~321p的轴向端面的面积相加得到的面积。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,也可以得到与第五实施方式相同的效果。
[第十一实施方式]
参照图40,对本实施方式的旋转电机进行说明。本实施方式的旋转电机是与第二实施方式相同的车辆用交流发电机。本实施方式的旋转电机的构成励磁铁芯的磁极铁芯的结构与第二实施方式不同。本实施方式的旋转电机是以能与无刷结构对应的方式对第三实施方式的励磁铁芯进行了改变的旋转电机。以下,对不同点和要点进行说明。另外,对于与第二实施方式共用的要素使用相同的标号,省略详细说明。对于与第三实施方式的励磁铁芯对应的构成要素,使用相同的名称。
<励磁铁芯的结构>
如图40所例示,励磁铁芯52由第一磁极铁芯52h和第二磁极铁芯52i构成。
第一磁极铁芯52h由第一盘部522h和第一爪状磁极部523h构成。第一磁极铁芯52h是从第三实施方式的第一磁极铁芯32a中去除了第一轴套部321a的结构。在第一盘部522h上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部522j。槽部522j形成于与第二盘部522i在轴向相对的第一盘部522h的内侧的面。槽部522j在第一盘部522h的径向的最外侧与第一爪状磁极部523h连接的部分,以沿周向延伸的方式形成为圆弧状。
第二磁极铁芯52i由第二轴套部521i、第二盘部522i及第二爪状磁极部523i构成。第二磁极铁芯52i是与第三实施方式的第一磁极铁芯32a相同的结构。在第二盘部522i上,为了使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,形成有槽部522k。槽部522k形成于与第一盘部522h在轴向相对的第二盘部522i的内侧的面。槽部522k在第二盘部522i的径向的最外侧与第二爪状磁极部523i连接的部分,以沿周向延伸的方式形成为圆弧状。
第一磁极铁芯52h配置成第一盘部522h的内周面与轴套部17的外周面隔开间隔地在径向上相对。第二磁极铁芯52i配置成第二轴套部521i的轴向端面与轴套部17的轴向端面隔开间隔地在轴向上相对。第二磁极铁芯52i配置成第一爪状磁极部523h和第二爪状磁极部523i在周向上交替。在周向上相邻的第一爪状磁极部523h和第二爪状磁极部523i之间,配置有永磁体54。永磁体54配置成易磁化轴朝向周向。永磁体54以极性与通过励磁绕组53的磁动势而交替出现于第一爪状磁极部523h和第二爪状磁极部523i的极性一致的方式,形成有磁极。第一磁极铁芯52h和第二磁极铁芯52i的第一爪状磁极部523h和第二爪状磁极部523i的内周侧通过固定构件521固定。由固定构件521固定的第一磁极铁芯52h和第二磁极铁芯52i通过轴承而以能旋转的方式支持于壳体10。在第一磁极铁芯52h与第二磁极铁芯52i之间的空间,配置有励磁绕组53。励磁绕组53固定于轴套部17。
磁通在盘部522h、522i沿径向流动。在盘部522h、522i的径向的最外侧与爪状磁极部523h、523i相连的部分,以沿周向延伸的方式形成有圆弧状的槽部522j、522k。因此,利用槽部522j、522k,使与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。也就是说,与爪状磁极部523h、523i相连的盘部522h、522i的最外周部分的截面变小。
在本实施方式中,以作为转子50的外径的磁极铁芯52h、52i的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。在此,截面积A2是与爪状磁极部523h、523i相连的、供槽部522j、522k形成的部分中的盘部522h、522i的截面积A0的极对数P倍的面积。
<作用和效果>
在本实施方式的车辆用交流发电机中,即使是无刷结构,也可以得到与第三实施方式相同的效果。
另外,即使是在无刷结构中,励磁铁芯的基本结构也与第四~第十实施方式的结构相同。因此,在无刷结构的车辆用交流发电机中,可以应用第四~第十实施方式的结构。在上述情况下,即使是无刷结构,也能得到与第四~第十实施方式相同的效果。
[其它实施方式]
本发明的技术并不限定于上述实施方式。可以在不脱离本发明的宗旨的范围内进行各种改变。
例如,在上述实施方式中,d轴磁路36、56和第一、第二磁体磁路38、39、58、59的一部分共用。然而,也可以在d轴磁路36、56上埋入或者设置永磁体34、54,从而使d轴磁路和第一、第二磁体磁路的全部共用。例如,在图41所示的变形例一的情况下,在形成d轴磁路36的励磁铁芯32的轴套部321的外周部,同轴状地安装有在轴向两端部具有磁极的永磁体34。这样,d轴磁路36(参照图8)和第一、第二磁体磁路38A、39A的全部共用。另外,设轴套部321的供永磁体34A安装的部位的径向总截面积为A,设旋转电机的极对数为P。此时,轴套部321的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积Ab由A/P表示。
此外,除此以外,可以在形成d轴磁路36的励磁铁芯32的盘部322a、322b(参照图41)埋入或者设置永磁体。上述情况的盘部322a、322b的截面积为盘部322a、322b的设置有永磁体的部位(盘部铁芯部分)的截面积。
此外,在上述实施方式中,对将本发明的旋转电机应用于车辆用交流发电机的示例进行了说明,但并不限定于此。例如,在作为装设于车辆的旋转电机的电动机或者选择性地作为发电机和电动机使用的旋转电机中,也能应用本发明的技术。
<本发明的方式>
本发明的技术的一个方式即第一个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);以及转子(30),上述转子(30)与定子的内周侧在径向上相对配置。
转子包括:励磁铁芯(32),上述励磁铁芯(32)具有筒状的轴套部(321、321a、321b)和配置于轴套部的外周侧、在周向上交替形成有不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323、323a、323b);励磁绕组(33),上述励磁绕组(33)卷绕于轴套部的外周侧,由通电而产生磁动势;以及永磁体(34、34A),上述永磁体(34、34A)在周向上相邻的爪状磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,以极性与通过励磁绕组的磁动势而在爪状磁极部交替出现的极性一致的方式形成有磁极。
在第一个旋转电机中,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通经由轴套部、一对爪状磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路(36)和由永磁体的磁力而形成的磁通流动的磁体磁路(38、39)的至少一部分共有。
在第一个旋转电机中,在转子施加有负载的情况下,d轴磁路的磁导Prt与在电枢绕组中流动的电流形成的、穿过位于与d轴相差90°电角度的位置的q轴的q轴磁路(37)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
根据上述结构,在第一个旋转电机中,通过配置于在周向相邻的爪状磁极部之间的永磁体,从而形成与定子交链的磁通流动的磁体磁路和穿过轴套部、在转子内磁通流动结束的磁体磁路这两个磁体磁路。此外,在转子施加有负载的情况下,即,在励磁绕组有励磁电流通电的情况下,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通形成为经由励磁铁芯的轴套部、一对爪状磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路。此时,在两个磁体磁路中的、穿过轴套部并在转子内结束的磁体磁路中流动的磁体磁通朝与d轴磁路的磁通相反的方向流动。因此,处于磁阻大、难以流动的状态。因此,在第一个旋转电机中,d轴磁路的磁导Prt与q轴磁路的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。因此,使上述两个磁体磁路中的、供与定子交链的磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增加。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。
在本发明中,在转子施加有负载的情况是指,作为额定电流,励磁绕组的励磁电流If在作为车辆用电刷的能力的、一般处于If=4(A)~20(A)之间通电的状态。另外,若电刷的技术进步,则也可以是那时的励磁电流If(例如为30(A)等)。此外,如无刷那样,若是对励磁电流If没有限制的结构,则在比上述大的励磁电流If下,使上述的Pst>Prt的条件成立即可。另外,即使是现有的电刷,使上述的Pst>Prt的关系成立意味着,满足后述的0.9<As/Ab<1.7的条件时的效果很好。
此外,本发明的技术的一个方式即无刷结构的第二个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);转子(50),上述转子(50)与定子的内周侧在径向上相对配置;以及壳体(10),上述壳体(10)在内部收容并支承有定子和转子。
壳体具有配置于转子的内周侧、由通电而产生磁动势的励磁绕组(53)卷绕于外周侧的轴套部(17)。
转子具有:励磁铁芯(52),上述励磁铁芯(52)具有配置于励磁绕组的外周侧并形成有在周向交替不同极性的磁极的多个磁极部(52n、52s);以及永磁体(54),上述永磁体(54)在周向相邻的磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过励磁绕组的磁动势而在磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在第二个旋转电机中,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通经由轴套部、一对磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路(56)和由永磁体的磁力而形成的磁体磁路(58、59)的至少一部分共用。
在第二个旋转电机中,在转子施加有负载的情况下,d轴磁路的磁导Prt与在电枢绕组中流动的电流形成的、穿过位于与d轴相差90°电角度的位置的q轴的q轴磁路(57)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
根据上述结构,在第二个旋转电机中,通过配置于周向相邻的磁极部之间的永磁体,从而形成与定子交链的磁通流动的磁体磁路和穿过轴套部、在转子内磁通的流动结束的磁体磁路这两个磁体磁路。此外,在转子施加有负载的情况下,即,在励磁绕组有励磁电流通电的情况下,由励磁绕组的磁动势而形成的磁通形成为经由励磁铁芯的轴套部、一对磁极部及定子铁芯而流动的d轴磁路。此时,在两个磁体磁路中的、穿过轴套部并在转子内结束的磁体磁路中流动的磁体磁通以与d轴磁路的磁通相反的方向流动。因此,处于磁阻大、难流动的状态。因此,在第二个旋转电机中,d轴磁路的磁导Prt与q轴磁路的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。因此,使上述两个磁体磁路中的、与定子交链的磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增加。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。
尤其是,在无刷结构的旋转电机中,可以不受电刷对电流的限制。因此,能增大由电刷限制的励磁电流If的电流值。藉此,即使在无刷结构的旋转电机中,也能使励磁回路饱和,能有效地利用磁体磁力。此外,对励磁绕组通电励磁电流的电路是独立的。因此,对于带磁体的伦德尔型转子的缺点即离心强度,电路这部分的离心力不会施加于磁极部的背部。藉此,能降低离心力产生的应力。
在本发明中,设轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab,设轴套部的施加5000(A/m)的励磁时的磁通密度为B50。此外,设配置于爪状磁极部之间和磁极部之间的永磁体的残留磁通密度为Br,设永磁体的作为磁极的面的截面积为Am。此时,第一个或第二个旋转电机满足2×Br×Am<B50×Ab的关系式。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,可以使永磁体的发生磁力被d轴磁路吸收。因此,反电动势下降,能抑制没有通电时的高速旋转状态下的发电电力。
第一个或第二个旋转电机的d轴磁路的磁导Prt与q轴磁路的磁导Pst之间的关系设定为Pst:Prt=2n(n为1以上的实数):1。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,即使在伦德尔型转子中,朝转子施加负载时的方式也接近IPM型转子。此外,能使q轴电感Lq与d轴电感Ld之比(Lq/Ld)即突极比ρ为2以上。藉此,即使在伦德尔型转子中,也能输出与IPM型转子相同程度的磁阻转矩。
此外,本发明的技术的一个方式即第三个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);以及转子(30),上述转子(30)与定子的内周侧在径向上相对配置。
转子包括:励磁铁芯(32),上述励磁铁芯(32)具有筒状的轴套部(321、321a、321b)和配置于轴套部的外周侧、在周向上交替形成有不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323、323a、323b);励磁绕组(33),上述励磁绕组(33)卷绕于轴套部的外周侧,由通电而产生磁动势;永磁体(34),上述永磁体(34)在周向相邻的爪状磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过上述励磁绕组的磁动势而在爪状磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在本发明中,设爪状磁极部的外周面的表面积为As,设轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab。此时,第三个旋转电机的表面积As与截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。
根据上述结构,在第三个旋转电机中,爪状磁极部的外周面的表面积As与轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。因此,使由配置于周向相邻的爪状磁极部之间的永磁体而形成的磁体磁路中的、与定子交链的磁体磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增大。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。另外,配置于爪状磁极部之间的永磁体以往以磁通的整流、防止泄漏为目的来使用。与此相对,在本发明中,配置于爪状磁极部之间的永磁体像IPM型转子的永磁体那样使用。藉此,不是防止泄漏等而是使磁通增加。也就是说,能起到转矩提高源和输出提高源的功能。
此外,本发明的技术的一个方式的无刷结构的第四个旋转电机包括:环状的定子(20),上述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);转子(50),上述转子(50)与定子的内周侧在径向上相对配置;以及壳体(10),上述壳体(10)在内部收容并支承有定子和转子。
壳体具有配置于转子的内周侧、由通电而产生磁动势的励磁绕组(53)卷绕于外周侧的轴套部(17)。
转子具有:励磁铁芯(52),上述励磁铁芯(52)具有配置于励磁绕组的外周侧并形成有在周向交替不同极性的磁极的多个磁极部(523h、523i);以及永磁体(54),上述永磁体(54)在周向相邻的磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过励磁绕组的磁动势而在磁极部交替出现的极性一致的磁极。
在本发明中,设磁极部的外周面的表面积为As,设轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab。此时,第四个旋转电机的表面积As与截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。
根据上述结构,在第四个旋转电机中,磁极部的外周面的表面积As与轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积Ab之间的关系设定为0.9<As/Ab<1.7的范围内。因此,使由配置于周向相邻的磁极部之间的永磁体而形成的磁体磁路中的、与定子交链的磁体磁通流动的磁体磁路的磁体磁通增大。藉此,能有效地利用磁体磁通,使发电能力大幅提升。另外,配置于磁极部之间的永磁体以往以磁通的整流、防止泄漏为目的来使用。与此相对,在本发明中,配置于磁极部之间的永磁体像IPM型转子的永磁体那样使用。藉此,不是防止泄漏等而是使磁通增加。也就是说,能起到转矩提高源和输出提高源的功能。
第三个或第四个旋转电机的轴套部的外径Db与转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,轴套部的截面积是考虑磁体磁力对于轴套部的磁力的反作用为最大限度而设定的范围。在励磁铁芯中,仅有使此时的磁体磁力产生的反作用反弹的轴套部的磁力起作用。此时,爪状磁极部的根部截面积能将轴套部的总磁力和磁体的总磁力向定子侧传递。
第三个或者第四个旋转电机的永磁体的残留磁通密度Br为1(T)以上。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,能进一步有效地发挥上述作用和效果。
第一个或者第二个旋转电机的形成有d轴磁路(36、56)的部位由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成。爪状磁极部或者磁极部由饱和磁通密度Bs高的材料形成,爪状磁极部或者磁极部之外的部位由饱和磁通密度Bs低的材料形成。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,轴套部比爪状磁极部、磁极部先磁通饱和,容易变为IPM型转子的磁通特性的状态。因此,能更可靠地实现使发电能力提高。
上述旋转电机的饱和磁通密度Bs低的材料的导磁率比饱和磁通密度Bs高的材料的导磁率高。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,在没有向转子施加负载时,电动势的吸收能力被提高。
第三个或者第四个旋转电机的励磁铁芯的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。第三个或者第四个旋转电机中,以转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。根据上述结构,在本发明的旋转电机中,励磁铁芯的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小。因此,旋转电机的特性发生变化。也就是说,能容易地构成特性不同的旋转电机。此外,在本发明的旋转电机中,以转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。藉此,能确保同轴套部的外径Db与转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内的情况同样的磁力关系,能得到同样的效果。
另外,对本发明的方式进行总结的上述内容和权利要求书中记载的各构件、部位后的括号内的符号表示与上述实施方式中记载的具体的构件、部位的对应关系。因此,对权利要求书中记载的各权利要求的构成没有任何影响。
符号说明
1、2 车辆用交流发电机(旋转电机)、
10 壳体、
17 轴套部、
20 定子、
21 定子铁芯、
25 电枢绕组、
30 转子、
32 励磁铁芯、
321 轴套部、
321a 第一轴套部、
321b 第二轴套部、
323 爪状磁极部(磁极部)、
323a 第一爪状磁极部(磁极部)、
323b 第二爪状磁极部(磁极部)、
33 励磁绕组、
34、34A 永磁体、
36 d轴磁路、
37 q轴磁路、
38 第一磁体磁路、
39 第二磁体磁路、
50 转子、
52 励磁铁芯、
52n N极(磁极部)、
52s S极(磁极部)、
53 励磁绕组、
54 永磁体、
56 d轴磁路、
57 q轴磁路、
58 第一磁体磁路、
59 第二磁体磁路。

Claims (13)

1.一种旋转电机,包括:环状的定子(20),所述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);以及转子(30),所述转子(30)与所述定子的内周侧在径向上相对配置,其特征在于,
所述转子包括:
励磁铁芯(32),所述励磁铁芯(32)具有筒状的轴套部(321、321a、321b)和配置于所述轴套部的外周侧并在周向交替形成有不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323、323a、323b);
励磁绕组(33),所述励磁绕组(33)卷绕于所述轴套部的外周侧,由通电而产生磁动势;以及
永磁体(34、34A),所述永磁体(34、34A)在周向相邻的所述爪状磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过所述励磁绕组的磁动势而在所述爪状磁极部交替出现的极性一致的磁极,
由所述励磁绕组的磁动势而形成的磁通经由所述轴套部、一对所述爪状磁极部及所述定子铁芯而流动的d轴磁路(36)和由所述永磁体的磁力而形成的磁通流动的磁体磁路(38、39)的至少一部分共用,
在所述转子施加有负载的情况下,所述d轴磁路的磁导Prt与由在所述电枢绕组中流动的电流形成的、穿过位于与d轴相差90°电角度的位置的q轴的q轴磁路(37)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
2.一种旋转电机,是无刷结构的旋转电机,包括:环状的定子(20),所述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);转子(50),所述转子(50)与所述定子的内周侧在径向上相对配置;以及壳体(10),所述壳体(10)在内部收容并支承有所述定子和所述转子,其特征在于,
所述壳体具有配置于所述转子的内周侧、由通电而产生磁动势的励磁绕组(53)卷绕于外周侧的轴套部(17),
所述转子具有:励磁铁芯(52),所述励磁铁芯(52)具有配置于所述励磁绕组的外周侧并在周向交替形成有不同极性的磁极的多个磁极部(52n、52s);以及永磁体(54),所述永磁体(54)在周向相邻的所述磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过所述励磁绕组的磁动势而在所述磁极部交替出现的极性一致的磁极,
由所述励磁绕组的磁动势而形成的磁通经由所述轴套部、一对所述磁极部及所述定子铁芯而流动的d轴磁路(56)和由所述永磁体的磁力而形成的磁体磁路(58、59)的至少一部分共用,
在所述转子施加有负载的情况下,所述d轴磁路的磁导Prt与由在所述电枢绕组中流动的电流形成的、穿过位于与d轴相差90°电角度的位置的q轴的q轴磁路(57)的磁导Pst之间的关系设定为Pst>Prt。
3.如权利要求1所述的旋转电机,其特征在于,
设所述轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab,所述轴套部的施加5000A/m的励磁时的磁通密度为B50,配置于所述爪状磁极部之间的所述永磁体的残留磁通密度为Br,所述永磁体的作为磁极的面的截面积为Am时,满足2×Br×Am<B50×Ab的关系。
4.如权利要求2所述的旋转电机,其特征在于,
设所述轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab,所述轴套部的施加5000A/m的励磁时的磁通密度为B50,配置于所述磁极部之间的所述永磁体的残留磁通密度为Br,所述永磁体的作为磁极的面的截面积为Am时,满足2×Br×Am<B50×Ab的关系。
5.如权利要求1~4中任一项所述的旋转电机,其特征在于,
所述d轴磁路的磁导Prt与所述q轴磁路的磁导Pst的关系为Pst:Prt=2n(n为1以上的实数):1。
6.一种旋转电机,包括:环状的定子(20),所述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);以及转子(30),所述转子(30)与所述定子的内周侧在径向上相对并配置成能旋转,其特征在于,
所述转子包括:
励磁铁芯(32),所述励磁铁芯(32)具有筒状的轴套部(321、321a、321b)和配置于所述轴套部的外周侧并在周向交替形成有不同极性的磁极的多个爪状磁极部(323、323a、323b);
励磁绕组(33),所述励磁绕组(33)卷绕于所述轴套部的外周侧,由通电而产生磁动势;以及
永磁体(34、34A),所述永磁体(34、34A)在周向相邻的所述爪状磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过所述励磁绕组的磁动势而在所述爪状磁极部交替出现的极性一致的磁极,
设所述爪状磁极部的外周面的表面积为As,所述轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab时,所述表面积As与所述截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内。
7.一种旋转电机,是无刷结构的旋转电机,包括:环状的定子(20),所述定子(20)构成为在定子铁芯(21)卷绕有电枢绕组(25);转子(50),所述转子(50)与所述定子的内周侧在径向上相对配置;以及壳体(10),所述壳体(10)在内部收容并支承有所述定子和所述转子,其特征在于,
所述壳体具有配置于所述转子的内周侧、由通电而产生磁动势的励磁绕组(53)卷绕于外周侧的轴套部(17),
所述转子具有:励磁铁芯(52),所述励磁铁芯(52)具有配置于所述励磁绕组的外周侧并在周向交替形成有不同极性的磁极的多个磁极部(523h、523i);以及永磁体(54),所述永磁体(54)在周向相邻的所述磁极部之间配置成易磁化轴朝向周向,形成有极性与通过所述励磁绕组的磁动势而在所述磁极部交替出现的极性一致的磁极,
设所述磁极部的外周面的表面积为As,所述轴套部的对应一对NS磁极的沿轴向延伸的铁芯截面积为Ab时,所述表面积As与所述截面积Ab之间的关系设定在0.9<As/Ab<1.7的范围内。
8.如权利要求6或7所述的旋转电机,其特征在于,
所述轴套部的外径Db与所述转子的外径Dr之间的关系设定为0.46<Db/Dr<0.53的范围内。
9.如权利要求6~8中任一项所述的旋转电机,其特征在于,
所述永磁体的残留磁通密度Br为1T以上。
10.如权利要求1或3所述的旋转电机,其特征在于,
形成有所述d轴磁路(36、56)的部位由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成,所述爪状磁极部由饱和磁通密度Bs高的材料形成,所述爪状磁极部之外的部位由饱和磁通密度Bs低的材料形成。
11.如权利要求2或4所述的旋转电机,其特征在于,
形成有所述d轴磁路(36、56)的部位由饱和磁通密度Bs不同的两种材料形成,所述磁极部由饱和磁通密度Bs高的材料形成,所述磁极部之外的部位由饱和磁通密度Bs低的材料形成。
12.如权利要求10或11所述的旋转电机,其特征在于,
所述饱和磁通密度Bs低的材料的导磁率比所述饱和磁通密度Bs高的材料的导磁率高。
13.如权利要求6~9中任一项所述的旋转电机,其特征在于,
所述励磁铁芯的与磁通的流动方向正交的截面的面积局部变小,
以所述转子的外径Dr为直径的圆的面积A1和与磁通的流动方向正交的截面的面积最小的部分的截面积A2之间的关系设定为0.2116<A2/A1<0.2809的范围内。
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